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电池储能系统及典型应用设计叶季蕾博士、高级工程师清洁能源发电研究所2011-10报告内容一电能存储技术概述二电池储能技术现状及应用模式三电池储能系统应用关键技术四电池储能系统典型结构和设计原则五电池储能系统的典型应用设计六国网电力科学研究院储能技术的相关工作什么是电能存储？电能存储的需求及作用电能存储的发展与规划电能存储技术及现状一.电能存储技术概述什么是电能存储？电能机械能化学能电磁能等其他能量形式用于电力系统的电能存储应具备：可存可放、可调度、可控制电能存储的需求及作用需求一：电网发展面临的挑战截止2010年，中国风电总装机容量达44733.29MW，“十二五”风电装机目标90GW；到2020年，风电规划装机1.5亿kW。截止2010年，PV装机达800MW，“十二五”期间，光伏发电装机目标5GW。需求二：可再生能源大规模发展《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》征求意见稿《“十二五”可再生能源发展规划》微电网大电网用电环节配电环节变电环节输电环节发电环节削峰填谷备用电源削峰填谷备用电源削峰填谷削峰填谷调频调峰调频调峰新能源接入新能源接入需求三：智能电网的建设安全可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动储能可发挥的作用储能可发挥的作用削峰填谷后备电源削峰填谷新能源接入调峰调频作用划分新能源接入电能存储的发展与规划智能电网建设坚强信息化、自动化、互动化战略新兴产业发展储能储能技术技术新能源新能源产业产业新材料新材料产业产业新能源汽新能源汽车产业车产业信息技术信息技术产业产业节能环保节能环保产业产业生物生物产业产业《战略性新兴产业发展“十二五”规划》电能存储技术及现状（一）分类物理储能：抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能相变储能：冰蓄冷储能电磁储能：超导储能超级电容储能高密度电容储能电化学储能：铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、液流（二）占比EPRI：ElectricEnergyStorageTechnologyOptions:APrimeronApplications,Costs&Benefits,December2010（三）技术成熟度技术成熟，实现商业化应用——抽水蓄能、铅酸电池储能、压缩空气和低速飞轮产业化初期或示范阶段：钠硫电池、液流电池、锂离子电池、镍镉/氢、超级电容器储能、小型超导磁储能研究阶段：大型超导磁等（四）效率和寿命效率：超级电容器、锂离子电池飞轮钠硫、液流、铅酸抽水蓄能、压缩空气镍镉等寿命超级电容器、飞轮、抽水蓄能、压缩空气液流、钠硫、锂离子、镍镉铅酸（五）适用场合（1）电能质量、UPS、系统稳定（毫秒至秒级）——保证电能质量、系统稳定和防止供电中断（如飞轮、超级电容器等）（2）后备电源（秒级至分钟级）——当供电转移时保证供电不间断（3）能量管理（分钟至小时级）——适应负荷的需要（抽水蓄能、压缩空气储能、电池储能等）小结从储能系统的规模、造价成本、运行维护成本、运行安全和可靠性、储能装置自身特性考虑：（1）大容量储能的主力——抽水蓄能（2）钠硫电池、液流电池、锂离子电池——巨大的发展前景和应用潜力（3）超级电容器、飞轮储能——根据具体应用场合，配合使用（4）超导磁储能——自主研发低温材料等关键技术从储能系统的规模、造价成本、运行维护成本、运行安全和可靠性、储能装置自身特性考虑：（1）大容量储能的主力——抽水蓄能（2）钠硫电池、液流电池、锂离子电池——巨大的发展前景和应用潜力（3）超级电容器、飞轮储能——根据具体应用场合，配合使用（4）超导磁储能——自主研发低温材料等关键技术二.电池储能技术现状及应用模式各类电池储能技术特性比较各类电池储能应用现状大容量电池储能的应用模式储能电池种类能量密度(Wh/kg)功率密度(W/kg)典型额定功率放电时间特点应用场合铅酸电池30-5075-300kW-几十MW1min~3hr技术成熟，成本较小；寿命低，环保问题电能质量、备用电源、黑启动、新能源并网锂离子电池75-200150-315kW-MW分钟-小时比能量高，成本高，成组应用技术有待改进电能质量、削峰填谷、电网调频、新能源并网VRB电池10-30~305kW~100MW1~20hr电池循环寿命长，可深度放电，适于组合，但储能密度低电能质量、备用电源、削峰填谷、新能源并网钠硫电池150~240150~230100kW-100MW数小时比能量较高，成本高、运行安全问题有待改进电能质量、备用电源、削峰填谷、新能源并网锌溴电池~700~50几十kW~MW数小时成本较低，可深度放电，能量密度高，体积小于VRB，但溴电解液的安全性和自放电有待改进削峰填谷，新能源并网当今的焦点之一：锂离子电池几种典型的储能电池特点及应用（一）各类电池储能技术特性比较（二）各类电池储能应用现状系统名称位置额定功率/容量(MW/MWh)作用安装时间BEWAGBerlin8.5/8.5热备用、频率控制1986CrescentNorthCarolina0.5/0.5峰值调节1987ChinoCalifornia10/40热备用、平衡负荷1988PREPAPuertoRico20/14热备用、频率控制1994VernonCalifornia3/4.5提高电能质量1995MetlakatlaAlaska1/1.4提高孤立电网稳定性1997ESCARMadrid1/4平衡负荷90年代后期Herne-Sodingen德国1.2/1.2削峰、提高电能质量90年代后期国外大型铅酸电池储能系统及用途美国Chino铅酸储能系统技术成熟、安全可靠投资成本低循环寿命（~500次）能量密度低充放电倍率低制造和运行中存在污染时间地点储能系统规模功用研发单位2007美国佛州2×5kW×4h光伏/储能发电加拿大VRB能源系统公司2007肯尼亚电信5kW×4h电信备用电源2006爱尔兰风电场2MW×6h风/储发电并网2006丹麦15kW×8h风/储发电2006丹麦5kW×4h风力/光伏发电2006意大利5kW×4h电信备用电源2006加拿大10kWh偏远地区供电2005德国10kWh光/储并网2004美国犹他州250kW×8h削峰填谷2003澳洲金岛风场200kW×8h风/储/柴联合2001日本北海道170kW/1MWh风/储并用日本住友电工SEI2001日本1.5kW/3MWh电能质量1999日本关西电力450kW/1MWh电站调峰1997日本200kW/800KWh平稳负载波动2004美国空军基地12MW/120MWh备用电源英国InnogyPSB2002英国15MW/120MWh电站调峰VRB液流电池典型示范应用工程系统设计灵活性强，增容方便；可深度放电活性物质理论寿命长辅助设备易被腐蚀总体能量效率低占地体积大Tamamae风场4MW/6MWhVRB系统10kWVRB电池系统已开发成功100kWVRB电池系统的集成和应用特性试验正在开展国内液流电池技术的代表性成果：中国电科院-大连化物所2011年9月，普能将为风光储示范工程提供2MW/8MWhVRB储能系统安装时间位置额定功率/容量作用1992.12日本川崎50kW/400kWh1999日本大仁6MW/48MWh2004.7Hitachi9.6MW/57.6MWh2004美国哥伦比亚12MW/120MWh备用电站国内技术储备：国家电网同上海硅酸盐研究所合作，2008年完成电池模块研制，2009年攻关百千瓦级储能设备，2010年实现世博会示范应用，到2011年进入大规模产业化阶段。钠硫电池储能系统能量密度高循环寿命长达4500次响应时间快（ms）需300oC工作效率最高为78%日本六所村17组2MWNaS电池用于平滑51MW风力机组2009年，在智利安装了16MW*15min，热备用电源；2010年，在纽约Westover安装20MW*15min（一期为8MW），电网调频；2010年，在欧洲和密西根分别投入运行了1MW*15min和1MW*30min，稳定可再生能源的功率输出比亚迪1MW/4MWh储能电站ATL500kW/2MWh储能电站中航锂电250kWh储能电站锂离子电池储能系统锂离子电池储能——效率最高（95%以上）锂离子电池形成规模的产业链，国内外产品差距不大，而液流和钠硫电池还是被几家垄断锂离子电池性能具有巨大提升空间（循环寿命、动态响应能力、倍率特性、成组规模）（三）大容量电池储能应用模式配电环节特点：电压等级：10kV安装位置1)城市配电网的馈线;2)开关站(开闭所、环网柜)运行方式1)并网运行2)独立运行大容量储能系统——功率MW级以上，运行时间几十min~几小时；主要应用在发、输、变电侧。变电环节变电环节特点：电压等级：10kV安装位置：35kV或110kV变电站的10kV母线运行方式：并网运行发电环节发电环节日本青森县六所村(NGK)：34MW钠硫电池配合51MW风电，平滑风光功率输出的瞬间波动和保证风光长时间的稳定输出；日本北海道札幌风电项目：4MW钒电池配合32MW风电，平滑瞬间波动，已运行27万次；特点：电压等级：35kV及以上输电线路运行方式：并网运行例三.锂离子电池储能系统应用关键技术成组规模庞大，连接复杂单体数量庞大，可靠性、安全性低成组后能量密度、寿命等性能大幅度下降模块化成组智能化管理提高各项成组应用技术（电池选型、均衡技术、充放电方法、热管理等）大容量储能系统整体集成（一）现状及技术需求（二）规模化集成关键技术大容量电池成组技术——基础大规模系统集成技术——必要条件储能电站的监控及控制策略——重要保障四.电池储能系统典型结构和设计原则电池储能系统的组成电池储能系统的定义说明电池储能系统的典型结构储能单元设计原则典型功率/容量储能单元设计（一）电池储能系统的组成储能双向变流器电池管理系统储能电池(含机柜部分)储能监控系统系统组成（二）电池储能系统的定义说明储能回路结构示意图储能单元结构示意图储能支路结构示意图构成大容量储能系统的储能单元功率250kW或500kW1个储能单元和1个低压接入开关多条并联储能支路、1个升压变单元和对应的储能回路监测单元功率规格：1MW或2MW（三）电池储能系统的典型结构接入方式：400V低压电网；功率等级：30、50、100、250和500kW时间：2-4h接入方式：400V低压电网；功率等级：30、50、100、250和500kW时间：2-4h应用场合：社区储能楼宇储能备用电源配电网削峰填谷（含升压变单元接入）微电网主电源分布式电源接入100kW支路型储能系统拓扑结构图500kW回路型储能系统拓扑结构图接入方式：1)通过并网开关柜直接接入400V低压电网；2)通过升压变单元接入10kV或35kV电压等级。功率等级：200kW-1MW时间：2-4h接入方式：1)通过并网开关柜直接接入400V低压电网；2)通过升压变单元接入10kV或35kV电压等级。功率等级：200kW-1MW时间：2-4h应用场合：配电网/变电站侧的削峰填谷分布式能源接入10MW电站型储能系统拓扑结构图电网接入：10kV及以上电压等级（35kV、110kV）功率：典型为10MW和20MW，储能回路的功率等级为1MW或2MW。时间：15min~4h电网接入：10kV及以上电压等级（35kV、110kV）功率：典型为10MW和20MW，储能回路的功率等级为1MW或2MW。时间：15min~4h应用场合：削峰填谷电网系统调频可再生能源接入（四）储能单元设计原则并联数量取决于单体容量（产品可靠性、连接可靠性），目前200Ah模块化设计，与BMU接口协调Block主要以8/10/12个Unit为主PCS功率合理匹配、单体容量一致性额定电压有640V、691V、768V、800V系统总容量、运行模式、冗余度电池成组电池成组技术要求：监测功能运行报警功能保护功能均衡功能自诊断功能参数管理功能本地运行状态显